风力发电机组中旋转式风速传感器的误差修订

王哲明,朱格家

（东方电气通辽风电工程技术有限公司,内蒙古 通辽 028000）

风力发电机组中旋转式风速传感器的误差修订

王哲明,朱格家

（东方电气通辽风电工程技术有限公司,内蒙古 通辽 028000）

随着经济的发展，风能作为新能源、清洁能源的代表，近些年以井喷式的速度发展。但是随着风电场的大规模建设过后，长期稳定高效的运行慢慢被风电厂业主们所重视，作为风速的测量仪器，其自身的准确性也直接影响到发电机功率曲线的生产，在机组实际发电量核算时，如何进行衰减，越来越引起大家的关注。旋转式风速传感器在长期运行中测量值的精度如何变化，如何去修正和维护越来越受到人们的关注。本文借助一些研究资料和现场运行一段时间后的旋转式风速传感器在实验室进行检测，获得实际监测数据并进行分析，并对旋转式风速传感器在实际应用过程中的校正做简单的论述，以供现场工作人员在实际工作中参考。

旋转式风速传感器；转矩；过高效应；误差分析

1 旋转式风速传感器的原理

1.1 风速传感器的原理

风力发电机组中，现在大都采用机械式旋转轴探头的风速传感器（又称风杯风速计）,其感应部分由三个空心风杯壳组成。杯壳固定在互成120°的三叉形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，如图1：

图1

风电场使用的旋转式风速传感器由一个需要提供24V电源的位于固定部分（底座）的光耦合器（或是霍尔开关电路），外加其它的电子电路，在风杯部分的内部基座中有一带齿的金属环，环齿每次经过光耦合器，给出一个24V的脉冲信号，每转一圈会给出固定的脉冲数。由脉冲与脉冲之间的时间T得出频率F，再通过主控制系统内的控制器计算出相应的风速。主控制器显示的风速有两种，一种是瞬时读数，另一种则是按照控制内部程序定义的参数经过滤波后算出的的平均读数。另外某些高品质的风杯风速计，在连接器与24V电源并行安装了抗寄生电路，一个0V的信号直接取自连接器，并被与正信号的返回值一起送到机舱的控制器，这样可以去除部分电噪声的干扰。为适应严寒、冰霜等恶劣环境，保证电子元器件在合适的温度下工作，在内部装有加热器系统，并接受主控制系统进行智能控制。

1.2 风速传感器的探头选择

在0至100m/s的风速测量范围，通常可以分为三个风速区段：0至5m/s为低风速段；5至40m/s为中风速段；40至100m/s高风速速段。在根据不同的测量用途选择风速测量设备时也有所差别，热敏式探头的风速仪主要用于0至5m/s的低风速值测力需求精确测量；机械转旋转风速传感器（又称风杯风速计）主要用于测量5至40m/s的风速值时，测量的整体效果最为理想。在实际运用中，高风速段基本不出现。另外在选择风速传感器的流速探头时还有一个附加标准即温度，一般情况下风速传感器的探头使用温度约达±70度,特制风速仪的转轮探头可达350度,皮托管式的风速仪用于+350度以上的特殊需要的行业。

2 旋转式风速传感器的测量误差分析

旋转式风速传感器由于其机械设计的特性，其测量的误差一直备受关注，在1996年美国学者MacCready认为，在实际大气测量中，旋转类风速仪的测量误差存在4类：w-error、v-error、u-error、DP-error，且存在如下关系：式中U为主导风向的实际水平风速值；Ui为在风洞实验室里，稳定状态下风速计的风速测量值；（w-error）（v-error）（u-error）表示湍流特征对风速仪测风的影响，其误差大小由湍流特征和仪器的不同而不同；（DP-error）表示流过感应探头的风向与总平均风向不一致引起的误差，即不同风速的定义造成的。在上述的误差中（u-error）表示过高效应，有上述公式（1）可知，在旋转式风速传感器设计时就是非线性的。在风速增大时比在风速减小时的响应更快，在测量平均风速的值会偏大，但误差值有多大，有过很多争论，早期的研究人员认为（u-error）误差可达10％，随着科技的发展，特别是超声波风速计和热线式风速计的的出现，是测量值更加贴近于实际值，也更加促进了人们对（u-error）误差的认识，在1972年Hyson利用热线式风速计做实验，与旋转式风速传感器进行对比，得出（u-error）误差为0.5—3％。

（w-error）误差的来源为是转动轴与地面不垂直或大气中存在上升或下降的气流，美国学者MacCready研究指出：当风向变化的标准差δ小于5度时，（w-error）误差在0.5％之内，该结论得到了后来很多学者的认同。 （v-error）误差的来源则是旋转式风速传感器随风向的变化响应有关，与风杯风速计本身无关。

（DP-error）误差的产生根源则在于旋转式风速传感器测量值的标量平均值和矢量平均值之间的差别。我国有学者研究认为：（DP-error）误差是轻型低阈值风杯风速计的主要误差来源，研究表明其大小随风速的增加迅速减小，当风速小于2m/s时，超过10％，而当风速大于3m/s时，不超过为3％。美国学者F.N.Frenkie经过大量的实际测算给出了矢量平均和标量平均的风速关系表达式（3）：

本文主要是通过对已经使用的风速计的实验测量，研究其性能指标是否满足出厂时的要求，通过数据的计算，确定如何对偏差进行修订，从而提高风场中机组风速测量的准确性。

3 数据来源及分析

本次研究的数据来源于，在通辽地区某风电场2008年末投入生产运行的机组，所采用的风速传感器MITA-TEKNIK生产型号7690360、成都雷奥生产型号LE2151两种型号的旋转式风速传感器，随即抽取8个在现场运行4年左右的风杯风速计（7个mita、1个雷奥），进行测试。MITA-TEKNIK生产型号7690360与雷奥生产型号LE2151两种型号的旋转式风速传感器，精度技术指标：±0.5m/s或测量值的±2％，测量范围：0.5至50m/s，工作温度为-30°至70度；风速v=G*f+Offset，是在G为增益0.08669，由风速计本身设计决定，f为风速计输出的频率，Offset为输出风速的偏移量，出厂设定为0.32，可以修改设定，以减小测量误差。检测单位长春机械工业气象仪器产品质量监督检验中心，所采用的实验设备以及性能：

（1）EDE1-5低速风洞，编号：F401，测量范围：0.2～～60m/s，不均匀度±0.8％；

（2）ISP--6--2000D精密微差压计，编号：0560110，测量范围：0～～400mmH20,5级测量标准；

（3）EY3---2A电子微风仪，编号：4585，测量范围：0～～1.0m/s；

（4）DYM3空盒气压表；

（5）温湿度计 φ450；

（6）标准度盘，编号：F403 测量范围：0～～360°，精度11′。

检测方法：将旋转式风速传感器安装在风洞实验室的实验台上，开启风洞，缓慢调节风速到如下测试，每个测试点稳定2分钟，然后读取标准风速值和仪器显示值。选取5个风速测试点分别为：2、5、10、20、30、40m/s；测试得出的数据绘制成如下折线图图1，清晰地表达了每个旋转式风速传感器的测量误差大小，误差值=试验测得值—标准值。

图2

由图2可以得至：（1）所有的测量值都比标准值都偏小；（2）所有的旋转式风速传感器的测量误差变大，特别是在10m/s风速时，已在设计的测风区间不能满足出场的精度要求。

图3

分别对2、5、10、20、30、40m/s六个采样点所测得测风数据进行计算，得出每个测风速点与标准风速的差值vi的标准方差δi（i分别为2、5、10、20、30、40m/s六个采样点），

代入数值，计算得到δ值为0.567，因为考虑到机组的实际测风情况和实际的旋转式风速传感器精度情况，并经过多次的实际计算，最后确定Offset的偏移量值取1.067最为合适，此时测量风速的值在2、5、10、20m/s的时候与对应的标准值拟合最好如图4。此时旋转式风速传感器计算公式需修改为风速v=0.08669*f+1.067。

图4

4 总结与讨论

通过本次的试验，可以得到旋转式风速传感器在现场长时间运行时，测量值确实出现了一定的误差，同时各个旋转式风速传感器的测速点偏离均值具有一致性，证明风速计的机械旋转和电气部件是没有问题的，旋转式风速传感器可以经过合理的调整偏移量，使其测量值满足风速计出场的技术指标。由于受到测风数据的限制，并未对旋转式风速传感器测速数据的四类误差进行计算,和对风速进行修正。

现在运行的风电场中，还没有针对旋转式风速传感器使用检测时间有过规定，长时间运行的旋转式风速传感器，主控系统仍采用出厂时给的公式进行计算，这样主控系统对风速的测量产生较大的误差会偏大。由于旋转式风速传感器安装在机舱尾部，受旋转的轮毂和塔架产生的紊流的影响，进一步扩大的风速计的测量误差，如何修正这些误差，使主控系统得到的风速值更贴近于实际，更真实的描绘出功率曲线等，还需要作进一步的数据采集和分析。

随着风电行业的发展，机组长期运行后带来的新问题也慢慢凸现出来，如某风场出现风速计旋转轴承内部进入细小沙粒，造成风速计低风速段测风不准，严重者出现主控报风速计失效等错误，今后如何解决等实际问题还有待于进一步的研究。

参考资料：

[1]张红升，陈家宜，朴淳雄。风杯风速仪过高效应的订正研究[J].应用气象学报,10：257-266.

[2]彭艳，张宏升，许飞等.风杯风速计测风误差的分析方法与修订方法[J].气象水文海洋仪器,2003（06）.

王哲明（1986—），男，辽宁鞍山人，本科，助理工程师，主要从事：大型风力发电机组的故障检测及预防维护。